IGCT测试夹具压力和温度控制系统的设计

摘要

　　随着电力半导体器件的快速发展，集成门极换流品闸管（IGCT）在高压大功率领域已经开始应用，同时器件的测试设备也不断向智能化方向发展。为了适应该发展趋势的要求，本文针对IGCT的测试夹具进行智能化研究。主要研究内容如下。

　　首先，简要介绍了I0CT测试夹具的结构和工作原理。井根据IGCT器件的测试要求，确定了测试夹具的压力和温度控制系统的设计指标。然后对测试夹具进行结构强度、热场及热固耦合分析。

　　其次，研究了IGCT测试夹具的压力控制系统。对系统的液压动力参数进行计算。

　　得出了液压缸。伺服阿以及力传感器等的传递函数。分析了系统的稳定性，并利用AMESim和MATLAB软件搭建了压力控制系统常规PID控制和模物自适应PID控制算法的仿真模型，通过对伤真结果的比较和分析。对所设计结果进行了验证。

　　再次，研究了IGCT测试夹具的温度控制系统。确定了温度控制系统的总体柜架，分析了微处理器外围电路并对温度传感器进行选型，设计了温度采集电路和升温控制电路，井采用了数字增量式PID算法实现恒温控制，上位机软件能实时采集温度信息。

　　最后。对系统的硬件和软件进行了联合调试。测试结果表明。系统控制的精度士0.1C.

　　超调低于25%.系统响应速度快且稳定性好，达到设计指标。

　　该研究结果对研发智能化IGCT测试夹具有一定的参考价值。

　　关键词：集成门极换流品闸管：夹具：电液力伺服控制：模糊自适应PID:温度控制

Abstract

　　With the mapid development of power semiconducor devices, the Integrated Gate  Commutated Thyitor （GCT） has begun to be plied in the field of high vlage and high  power. At the same time, the test cquipmeant of the device has also contiued t0 develop in the  dection of itlginece In order to meet the requirements of this development rend, this  paper conducts ielligent resarch on I0CT test fixbures. The main resach contents are B  fllowls

　　Fistly. the stnucture and is operntion pincile of the 1oCT test fisure are biely  indueed, and the design indxes of the test fixture presure and temperaure control sysem  are determined according to the lest requirements of the I0CT derice. And then the sinuctural  strength, termal field and thm-solid coupling of the fxure are analyzed.

　　Scondly, the pessure contol sysem of ICCT test fsture is studied. The hyrulie  power penmeters of the system are clculateda and then the transfer finctions of the hyrnulie  cylinder, servo ralve and force sansoer are obaind. The sbii of the sstem is salyzed and  fnally AMESim and MATLAB sofware are used 1 built a simultion model of the  convcntional PID conrol and fuy ndipive PID control algorithm of the pessre contol  systm. The design is verified by analyzing and conmpring vith the simulation rsuls.

　　Thirdly, the temperature control ystem of 1GCT tet fixture is studied. The design  fanework of the temperature corod sysem is detemined, then the peripheal circuit of the  miroprocessor is analyzed and the temperaure sansor is sleeted The temperaure acquistion circuit and the heating control circuit is designed, and the digital incremental PID algorithm is  adopted to realize the constant temperature contol system, and the PC software can collet  information about temperature in real time.

　　Finally, the handware and sofware of the system are joindty debugged.The experimental test  shows that the accunacy of the control system is +0.1 C, and the overshoot is less than 2.5%. The  system responds quicky and has good stability, meeting the design specifications.

　　The research results have ertain referenee valve for the development ofthe itelligentIGCTr  tst fixture.

　　Keywords: Integratod Gate Commutated Thyristor（IGCT）； Fixture; Eletro-hydraulie servo .control; Fuzzy adaptive PID; Temperature control

目 录

　　1 绪论

　　1.1 研究背景与意义

　　随着电力半导体技术日新月异的发展，大功率的电力半导体器件广泛应用在机车牵引、风力发电、特高压直流输电（UHVIC）、柔性交流输电系统等领域。为国民经济带来了巨大的效益，同时也为国家日益短缺的能源问题提供了保障。如今电力半导体器件飞速发展，越来越向着大容量、高频化、高功率密度、集成化及智能化方向发展。电力半导体器件的快速发展，尤其是集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor,IGCT）的快速发展，可以进一步降低功耗，节约能源，提高效率和可靠性[1].IGCT 作为电力半导体器件的重要成员，它的研究不断趋于完善，是一种各方面性能相对理想的大功率开关器件，同时性能较为稳定可靠，主要优势是成本低廉且成品率极高，将会在中高压直流输电、高压调速传动、无功补偿、有源电力滤波、城市轨道交通及智能电网建设等领域具有良好的应用前景[2].

　　IGCT 是一种从门极可关断晶闸管（GTO）发展而来的大功率半导体开关器件，本质是通过对传统的 GTO 实施硬驱动技术形成的一种新型全控式半导体开关器件，它吸取了GTO 功率大和 IGBT 频率高的优点，因此成为了当前功率最大的全控器件[3].GCT 管芯在 GTO 的基础上，增加了透明阳极、缓冲层和逆导技术，将低通态损耗能力的晶闸管和稳定关断能力的晶体管的优点结合在一起，再采用门极硬驱动技术[4],使 IGCT 装置的体积缩小、重量减轻、可靠性提高，最大的优点是开关损耗低、速度快、频率高且不需要吸收电路，虽然电流关断增益小，但功率关断增益却很大[5].相比其他功率半导体器件，IGCT器件具有较高功率等级、低通态损耗、无需吸收电路等优点，所以在大功率应用领域更是展现出极大的优势。

　　所有器件的制造和应用都需要以测试手段作为产品质量的保障，因此 IGCT 测试技术的研究以及测试设备的开发与研制非常重要。在器件测试过程中，器件的支撑、定位、夹紧以及保持压力的大小都依靠测试夹具来提供，因此压力夹具是 IGCT 器件测试设备中必不可少的重要部件，为了提高测试效率，并且保证操作人员安全测试，所以对 IGCT 测试夹具的研究同样重要，其性能直接关系到测试的效率和精度[6].通过对 IGCT 测试设备的研究，有助于更方便、更有效的完成 IGCT 器件的相关参数测试，获得所需要的实验数据，加快 IGCT 的研制进程，使国产 IGCT 产品早日实现市场化。随着 IGCT 功率和电压等级越来越高，需要更好地保障器件的测试效率和测试质量，所以本文研究效率高、成本低、技术先进的 IGCT 测试夹具非常必要。

　　在 IGCT 器件测试过程中，测试夹具可以给被测器件提供实际应用的工况，如恒定的压力可以保证器件测试中可靠接触、恒定的温度可以提供良好的测试环境[7].因此 IGCT测试夹具给被测器件提供恒定的温度和压力，成为实现测试系统自动化的重要环节[8].所测试的器件温度与压力条件和测试精度存在密切的关联，因此需要合理的设计夹具压力及温度控制系统。由于测试时会出现高电压、大电流，所以设计安全可靠的测试夹具也能为测试人员提供一定的安全保障。所以本课题对 IGCT 测试夹具的控制系统研究具有重要意义。

　　1.2 国内外研究进展

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　　2 系统总体分析与设计

　　2.1 IGCT 测试夹具设计指标

　　2.2 夹具控制系统总体框架

　　2.2.1 硬件总体设计

　　2.2.2 软件总体设计

　　2.3 测试夹具的结构与工作原理

　　2.3.1 测试夹具结构

　　2.3.2 测试夹具的工作原理

　　2.3.3 测试夹具的设计考虑

　　2.4 夹具结构仿真分析

　　2.4.1 夹具结构强度仿真分析

　　2.4.2 夹具热场与热固耦合分析

　　2.5 本章小结

　　3 夹具压力控制系统的设计

　　3.1 测试夹具工作原理

　　3.2 电液力控制系统数学建模及主要参数计算

　　3.2.1 液压动力系统主要参数计算

　　3.2.2 液压缸

　　3.2.3 伺服阀

　　3.2.4 其他环节数学模型

　　3.2.5 传递函数及系统稳定性分析

　　3.3 电液力控制系统控制策略研究

　　3.3.1 常规 PID 控制

　　3.3.2 模糊自适应控制器的设计

　　3.4 电液力控制系统仿真分析

　　3.4.1 PID 控制仿真结果及分析

　　3.4.2 模糊 PID 控制仿真结果及分析

　　3.5 本章小结

　　4 夹具温度控制系统的设计

　　4.1 温度控制系统总体框架

　　4.2 温控硬件设计

　　4.2.1 微处理器及外围电路设计

　　4.2.2 温度传感器的选型

　　4.2.3 温度采集电路设计

　　4.2.4 升温控制电路

　　4.3 温控软件设计

　　4.3.1 温度采集程序

　　4.3.2 数字增量式 PID 算法

　　4.3.3 上位机软件设计

　　4.4 温控实验及分析

　　4.4.1 系统调试

　　4.4.2 测试结果及分析

　　4.5 本章小结

5 总结与展望

　　5.1 工作总结

　　本文主要对IGCT测试夹具的压力和温度控制系统进行了研究。设计了基于ARM控制的恒温恒压测试夹具，主要完成了IGCT测试夹具结构的应力分析、压力控制系统设计和温度控制系统设计三个部分工作，得出以下主要结论：

　　1. 本文对IGCT测试夹具的结构进行了应力分析。通过对夹具的结构强度、热场与热固耦合分析，优化了夹具的结构参数。

　　2. 本文对夹具的压力控制系统进行设计。首先对夹具压力控制系统进行参数计算和系统建模，通过开环传递函数的波特图分析了系统的稳定性，并用AMESim和MATLAB软件进行联合仿真，分别采用PID控制算法和模糊自适应PID控制算法进行了比较分析。结 果表明，采用模糊自适应PID控制的方法可以到达超调小于1%,压力上升时间小于5秒的设计指标，系统稳态精度高响应速度快，获得较为理想的控制效果。

　　3. 本文对夹具的温度控制系统进行设计。以STM32F103C8T6微处理器为核心，采用数字增量式PID算法对器件进行升温控制，通过对加热功率的调节，从而实现对温度的精确控制。上位机采集软件可以采集温度数据并实时显示测试的温度曲线。实验结果表明，IGCT测试夹具恒温控制系统超调小于2.5%,控制精度为±0.1℃，系统响应速度快且稳定性好，达到设计指标。

　　本文通过对IGCT测试夹具的应力分析以及压力控制系统和温度控制系统设计，积累了宝贵的经验，对后续开发智能化IGCT测试夹具有一定的参考价值。

　　5.2 工作展望

　　本文针对IGCT测试夹具的结构、压力控制系统和温度控制系统进行了设计。由于时间和本人能力有限，课题中还存在一些不足，后续相关研究工作可以从以下几方面进一步改进：

　　1. 本文采用PID控制和模糊自适应PID控制对夹具电液力伺服控制系统进行了仿真，并对这两种控制算法的控制效果进行了对比分析。以后还可以用神经网络、智能自适应等多种控制算法分别进行仿真，然后通过对比分析得出更好的夹具压力控制算法。

　　2. 单温度传感器无法准确测量被测器件的各项温度，考虑采用多个温度传感器或者更合适的方法测出被测器件的相关温度。本文借助数字增量式PID算法虽然能够达到一定的控制效果，然而其局限性仍存在，特别是关于PID参数整定部分。在后期研究工作当中，可以借助更加先进的算法来提升系统控制精度和响应速度。

　　3. 夹具的压力和温度控制可以结合IGCT特性测试台，开发出功能更全面、更智能、体系更完善的综合性测试台。

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致 谢

　　美好而短暂的三年时光即将过去，在这里我要感谢我敬爱的老师、亲爱的各位同窗好友以及一直陪伴支持我的家人们。

　　首先，我要感谢我敬爱的导师王彩琳教授和许长安高工。王老师在学术研究上是一位学识渊博、严谨认真的导师，她广博的学识以及在科研时严谨认真的态度让我受益良多，成为了我学习过程中的指路明灯，对我整个研究生期间的学习与生活上给予了无私的指导和帮助。许长安高工，感谢他三年以来对我的严格要求以及当遇到问题时给予我技术上的支持。感恩两位导师在我毕业设计时期的各个阶段给予我耐心的指导和无微不至的帮助。

　　其次，感谢我的师兄张琦、张磊、杨晶、杨武华、吴伯居以及师姐宋阳、郑一虹在我遇到问题时给予我的帮助和鼓励，无论是在课程的学习时期还是做论文阶段，他们给我提供的思路点睛以及技术层面的支持都让我受益匪浅。同时感谢和我同级的田昊、郝爽等伙伴们，平日里和他们的交流与互动也为我研究生学习生活增添了不一样的色彩。感谢我的师弟张阳、李未末、郝春潮等人，珍惜和你们在一起短暂而愉快的学习时光。

　　另外，感谢我的亲人，是你们的照顾与陪伴让我的学习没有后顾之忧，你们给予的希望与鼓励是我不断前进的最大动力。

　　最后，感谢可以在百忙之中抽出宝贵时间为我评审论文的各位老师！

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